Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ công nghệ hàn mag đến hình dạng mối hàn khi hàn kết cấu thép tấm ở tư thế 2g

Ph ơng pháp hàn này có rất nhiều u điểm và đặc biệt nó phù hợp với s n xuất lớn và các ng dụng hàn tự động nhất là khi hàn các tấm kim lo i, các đ ng ng, b n bể ch a có đ ng kính và chiề

L I C M ƠN

Trong thời gian học tập và nghiên c u trong chương trình đào t o sau đ i học c a trường Đ i học sư ph m kỹ thuật TP.HCM, em đã tiếp thu và đúc kết được nhiều kiến th c

bổ ích cho chuyên môn c a mình Với đề tài nghiên c u dưới hình th c luận văn th c sỹ, em

đã vận dụng những kiến th c đã được học c a mình để gi i quyết một vấn đề thực tế Đề tài

c a em là nghiên c u và tìm hiểu nh hưởng các thông số chế độ công nghệ hàn MAG nh hưởng đến hình d ng mối hàn khi hàn kết cấu thép tấm ở tư thế 2G, vì lần đầu tiên tiếp xúc nên em gặp rất nhiều khó khăn

Với sự hướng dẫn tận tình c a thầy hướng dẫn PGS TS Hoàng Trọng Bá cùng với sự

hỗ trợ c a gia đình, b n bè, trường cao đẳng nghề Lilama 2, trường cao đẳng công nghệ Th

Đ c Cho đến thời điểm này luận văn c a em c ng đ t được những kết qu như mong muốn Đến đây, cho phép em gửi lời c m ơn chân thành đến:

- Ban Giám Hiệu trường Đ i học sư ph m kỹ thuật TP.HCM

- Thầy PGS.TS Hoàng Trọng Bá – Khoa Cơ Khí Chế t o Máy - trường Đ i học sư

- Trường cao đẳng nghề Lilama 2

- Trương cao đẳng công nghệ Th Đ c

- Gia đình, b n bè và đồng nghiệp

Một lần nữa, em xin chân thành c m ơn sự giúp đỡ, sự hỗ trợ động viên quý báu c a tất

c mọi người Xin trân trọng c m ơn

TÓM T T

Hàn hồ quang bằng điện cực nóng ch y trong môi trường khí b o vệ (GMAW: Gas Metal Arc Welding) là quá trình hàn nóng ch y trong đó nguồn nhiệt hàn được cung cấp bởi hồ quang t o ra giữa điện cực nóng ch y ( dây hàn) và kim lo i nền, hồ quang và kim lo i nóng ch y được b o vệ khỏi tác động c a môi trường xung quanh như oxy, nitơ Khi phương pháp hàn sử dụng khí ho t tính như khí CO2 làm khí b o vệ, khi đó nó được gọi là: MAG

(Metal Active Gas) Được sử dụng rộng rãi trong chế t o bồn bể áp lực, các hệ thống đường ống lớn, chất lượng mối hàn tốt, năng suất cao Hơn thế nữa, nó dễ dàng tự động hóa và vì vậy không đòi hỏi tay nghề người thợ cao Để đ t được hiệu suất quá trình hàn cao, chất lượng mối hàn tốt thì các thông số chế độ hàn cần được nghiên c u

Đề tài được thực hiện thời gian từ tháng 02/2012 đến 08/2012 t i trường Đ i học sư ph m kỹ thuật TP HCM Nội dung và phương pháp nghiên c u c a đề tài là nghiên c u về lý thuyết công nghệ hàn MAG và thực hiện thí nghiệm t i trường Cao đẳng nghề Lilama 2 dưới d ng hàn mẫu và đo kích thước mối hàn, xử lý kết qu đo bằng phương pháp quy ho ch thực nghiệm

Kết qu đ t được c a luận văn đã trình bày một cách đầy đ và cô đọng lý thuyết và

thực nghiệm về ắCh độ công ngh hƠn MAG nh h ng đ n hình d ng của mối hƠn khi

hƠn k t cấu thép tấm t th 2G” Tìm ra được mối quan hệ giữa cường độ dòng điện hàn

với chiều rộng, chiều cao, chiều sâu ngấu c a mối hàn Mối quan hệ giữa điện áp hàn với chiều rộng, chiều cao, chiều sâu ngấu c a mối hàn Mối quan hệ giữa tốc độ hàn với chiều rộng, chiều cao, chiều sâu ngấu c a mối hàn

Kết qu c a đề tài là cơ sở để chúng ta chọn chế độ hàn, nhằm nâng cao chất lượng và tuổi thọ cho kết cấu hàn Đồng thời là phương pháp có thể áp dụng để kiểm tra cho các kết cấu hàn đang làm việc t i các nhà máy, xí nghiệp phục vụ cho công tác chế t o và sửa chữa

ABSTRACT

Arc welding with melting electrode in protective gas environment (GMAW: Gas Metal Arc Welding) is molten welding process in which the heat source is provided by arc created between the melting electrode (wire) and base metal, arc and molten metal is protected from the impact of the surrounding environment such as oxygen and nitrogen When welding method using reactive gases such as CO2 shielding gas, then it is called: MAG (Metal Active Gas) Widely used in the manufacture of pressure tanks, large piping systems, weld quality, high productivity Moreover, it is easy to automate and therefore does not require high-skilled workers To achieve high performance welding process, weld quality welding mode, the parameters need to be studied.Time threads are made from 02/2012 to 08/2012 Technical Pedagogical University City HCM The content and methodology of the research is the study of MAG welding technology theory and the experiment in vocational colleges attracting 2 sample as welding and weld measuring, processing measurement results

by experimental planning method

The results of the thesis presents a complete and concise theoretical and empirical

"MAG welding technology Mode affects the shape of the weld when welding structural steel sheet in 2G position" Find out the relationship between the welding amperage with width, height,, matured depth of the weld The relationship between welding voltage with width, height,, matured depth of the weld The relationship between the welding speed and the width

Results of the research is the basis for us to select welding mode, in order to improve the quality and longevity for structural welding At the same time, the method can be applied to

test for structural welding work at plants and factories for the manufacture and repair

M C L C

Quyết định giao đề tài

2.1.1.3 Sự dịch chuyển c a kim lo i lỏng từ điện cực vào bể hàn 6

2.5.3 Vị trí hàn theo tiêu chuẩn Việt Nam 33

3.7.1 nh hưởng c a chế độ công nghệ hàn đến chiều rộng mối hàn 50

3.7.2 nh hưởng c a chế độ công nghệ hàn đến chiều cao mối hàn 52

3.7.3 nh hưởng c a chế độ công nghệ hàn đến chiều sâu ngấu c a mối hàn 54 3.7.4 nh hưởng c a chế độ công nghệ hàn đến hệ số hình d ng mối hàn 56

DANH SÁCH CÁC Kụ HI U MỌ̣T SỌ́ KÝ HIỆU

MIG: Metal Inert Gas

MAG : Metal Active Gas

GMAW : Gas Metal Arc Welding

ASME: Hiệp Hội Kỹ Sư Cơ Khí Hoa Kỳ

AWS: Hiệp Hội Hàn Hoa Kỳ

Hình 2.6: Tổ ch c kim lo i c a mối c a khu vực nh hưởng nhiệt 10

Hình 2.7: Sơ đồ thiết bị hàn hồ quang điện cực nóng ch y khí b o vệ 19

Hình 2.8: Thiết bị hồ hàn hồ quang điện cực nóng ch y trong khí b o vệ 21

Hình 2.9: Chiều dài điện cực phía ngoài mỏ hàn 22

Hình 2.10: a – Hồ quang dài, b – Hồ quang trung bình, c – Hồ quang ngắn 24

Hình 2.11: Bề mặt và hình mẫu thâm nhập đối với các khí khác nhau 28

Hình 2.14: Vị trí mối hàn trong không gian theo tiêu chuẩn AWS 32

Hình 2.15: Vị trí mối hàn trong không gian theo tiêu chuẩn Việt Nam 33

Hình 3.1: Phôi hàn sau khi đã được vệ sinh s ch sẽ 34

Hình 3.3: Dây hàn MAG nhãn hiệu Kim Tín Việt Nam 36

Hình 3.6: Phôi hàn được gá đúng vị trí 2G trong không 41

Hình 3.8: Các phôi mẫu sau khi hàn, cắt, mài và tẩm thực 42

Hình 3.12: Sơ đồ nh hưởng c a cường độ dòng điện đến chiều rộng mối hàn 51

Hình 3.13: Sơ đồ nh hưởng c a hiệu điện thế hàn đến chiều rộng mối hàn 51

Hình 3.14: Sơ đồ nh hưởng c a vận tốc hàn đến chiều rộng mối hàn 52

Hình 3.15: Sơ đồ nh hưởng c a cường độ dòng điện đến chiều cao mối hàn 53

Hình 3.16: Sơ đồ nh hưởng c a hiệu điện thế hàn đến chiều cao mối hàn 53

Hình 3.17: Sơ đồ nh hưởng c a vận tốc hàn đến chiều cao mối hàn 54

Hình 3.18: Sơ đồ nh hưởng c a cường độ dòng điện đến chiều sâu ngấu mối hàn 55

Hình 3.19: Sơ đồ nh hưởng c a hiệu điện thế hàn đến chiều sâu ngấu mối hàn 55

Hình 3.20: Sơ đồ nh hưởng c a vận tốc hàn đến chiều sâu ngấu mối hàn 56

Hình 3.21: Sơ đồ nh hưởng c a cường độ dòng điện đến hệ số hình d ng

Hình 3.22: Sơ đồ nh hưởng c a hiệu điện thế hàn đến hệ số hình d ng mối hàn 68

Hình 3.23: Sơ đồ nh hưởng c a vận tốc hàn đến hệ số hình d ng mối hàn 68

DANH SÁCH CÁC B NG

B ng 2.1 Sự phụ thuộc c a kích thước các vùng và chiều dài khu vực nh hưởng

B ng 2.2 Các khí b o vệ trong phương th c chuyển kim lo i d ng bụi 25

B ng 2.3 Các khí b o vệ trong phương th c chuyển kim lo i d ng đo n m ch 27

B ng 3.1 B ng chế độ hàn 2G đối với dây hàn 1,2mm 38

B ng 3.2 Giá trị và m c biến thiên c a chế độ hàn 45

B ng 3.3 Chuyển các giá trị c a các biến thực sang các giá trị mã hóa 46

B ng 3.4 Kế ho ch thực nghiệm và kết qu thu được 47

B ng 3.5 Kết qu thí nghiệm thu được chiều rộng mối hàn t i tâm phương án 48

CH ƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đ

Trong những năm gần đây kỹ thuật Hàn đư có những b ớc phát triển m nh

mẽ, đáp ng đ ợc các yêu cầu ngày càng cao về công nghệ và vật liệu Nhiều

ph ơng pháp Hàn mới đư xuất hiện, các công nghệ mới đ ợc áp dụng rộng rưi trong

kỹ thuật hàn Các công nghệ hàn c điển, ch yếu là th công và không liên tục đang dần tr nên l c hậu Tính hiệu qu và kinh tế c a hầu hết các cơ s công nghiệp từ các nhà máy điện, chế t o máy móc, khai thác, lọc dầu, xây dựng các b n

bể ch a dầu khí, hóa chất đều liên quan chặt chẽ đến sự ng dụng hợp lý c a các công nghệ hàn Hàn là công nghệ ph c t p, ph i hợp nhiều ngành khoa học và kỹ thuật từ vật lý, hóa học, luyện kim, cơ khí, tự động hóa đến kỹ thuật điện và điện tử

Trong tình hình đất n ớc có nhiều đ i mới, đặc biệt khi nền kinh tế tăng

tr ng liên tục các ngành công nghiệp cũng phát triển với t c độ tăng dần tiến tới mục tiêu công nghiệp hóa – hiện đ i hóa đất n ớc Do vậy các yêu cầu về kiến th c khoa học công nghệ nói chung, cũng nh khoa học công nghệ Hàn nói riêng đòi h i

ph i có sự đáp ng kịp th i và phù hợp với sự phát triển công nhiệp hóa và hiện đ i hóa đất n ớc

Kho ng 10 năm gần đây, nhiều công nghệ hàn mới đ ợc ng dụng rộng rưi Việt Nam và sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong t ơng lai

Hiện nay ngành Hàn đang phát triển rất m nh mẽ với sự ra đ i c a các

ph ơng pháp hàn mới, các thiết bị hàn ngày càng hiện đ i nhằm gi m bớt s c lao động và đem đến cho con ng i s n phẩm mới với chất l ợng ngày càng cao Một trong những công nghệ hàn mới Việt Nam đó là công nghệ hàn h quang trong môi tr ng khí b o vệ Ph ơng pháp hàn này có rất nhiều u điểm và đặc biệt nó phù hợp với s n xuất lớn và các ng dụng hàn tự động nhất là khi hàn các tấm kim

lo i, các đ ng ng, b n bể ch a có đ ng kính và chiều dày lớn

Tuy nhiên trong quá trình hàn các kết cấu có kích th ớc, chiều dày lớn và hàn các vị trí hàn khó trong không gian, “chẳng h n nh hàn m i hàn 2G” thì sự hình thành m i hàn cũng khác nhau Để có đ ợc m i hàn t ơng đ i đ ng đều về kích th ớc, hình dáng trong quá trình hàn ta ph i điều chỉnh, thay đ i các thông s

c a quá trình hàn để đ t đ ợc hình dáng cũng nh chất l ợng m i hàn nh mong

mu n Vì vậy tác gi chọn đề tài nghiên ắNghiên cứu nh h ng của ch độ công

ngh hàn MAG đ n hình d ng mối hƠn khi hƠn k t cấu thép tấm t th 2G ”

4 Xác định ng suất d cho m i hàn ng chịu áp lực bằng nhiễu x X – quang

Luận văn th c sĩ Lâm Văn T ng 2011

5 Nghiên c a nh h ng c a chế độ hàn đến độ bền c a m i hàn Luận văn

th c sĩ Nguyễn Tấn H i 2011

1.3 M c tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên c u là nâng cao hiệu qu c a quá trình hàn nhằm đ t chất

l ợng m i hàn thông qua việc lựa chọn chế độ hàn

Trên cơ s nghiên c u lý thuyết và kh o sát thực nghiệm, xác định đ ợc m c

độ nh h ng c a chế độ công nghệ hàn đến chất l ợng m i hàn, thông qua

hình d ng m i hàn đ i với tr ng hợp hàn kết cấu thép t thế 2G

1.4 Nhi m v vƠ ph m vi nghiên cứu

1.4.1 Nhi m v của đ tƠi

- Tìm hiểu về t ng quan công nghệ hàn MAG, sự hình thành m i hàn, cấu trúc kim lo i c a m i hàn

- Đặc biệt đi sâu nghiên c u cụ thể sự nh h ng c a các thông s về năng

l ợng hàn, khi hàn t thế 2G để chế t o kết cấu thép thông dụng nh : B n

ch a, bể, thùng, … Có chiều dày thông dụng nhất 10 mm Những thông s

có nh h ng quyết định đến sự hình thành cũng nh đến chất l ợng m i hàn bao g m: C ng độ dòng điện hàn Ih , Hiệu điện thế hàn Uh, T c độ hàn Vh

1 4.2 Ph m vi nghiên cứu

- Đề tài nghiên c u đ i với hàn h quang điện với ph ơng pháp hàn MAG

- Nghiên c u thực nghiệm nhằm xác định chế độ công nghệ hàn thông qua các giá trị hình d ng m i hàn đ ợc kh o sát

- Dựa trên lý thuyết về công nghệ hàn MAG

- Lý thuyết về kim lo i học và nhiệt luyện

- Tham kh o tài liệu trên thế giới có liên quan đến công nghệ hàn

- Ph ơng pháp thực nghiệm: Tiến hành chế t o mẫu thử nghiệm, dùng quy

ho ch thực nghiệm để kiểm tra đánh giá kết qu thu đ ợc, xác định m i t ơng quan giữa các yếu t chế độ công nghệ hàn và hình d ng m i hàn

1.6 Giá tr th c ti n của l n văn

- Kết qu c a luận văn giúp cho ng i kỹ s ho c ng i thợ xác định đ ợc chế độ hàn phù hợp khi thiết kế quy tình hàn ho c trong khi hàn

- Có thể dung làm tài liệu tham kh o cho các sinh viên ngành cơ khí, đặc biệt trong chuyên ngành hàn… các học viên có thể làm tài liệu để làm tham kh o cho các đề tài liên quan

M i n i đ ợc thực hiện bằng ph ơng pháp hàn gọi là m i hàn M i hàn là

m i n i liền không tháo đ ợc

Vị trí n i các chi tiết gọi là m i hàn

Trong quá trình hàn, ngu n nhiệt dịch chuyển theo kẻ hàn, đ ng th i bể hàn cũng dịch chuyển theo Bể hàn đ ợc chia làm hai phần: phần đầu và phần đuôi

từ, làm cho kim lo i l ng trong bể hàn bị đẩy về phía ng ợc với h ớng chuyển dịch c a ngu n nhiệt và t o nên chỗ lõm trong bể hàn

Hình d ng và kích th ớc c a bể hàn phụ thuộc vào:

 Công suất c a ngu n nhiệt

 Chế độ hàn

 Tính chất lý nhiệt c a kim lo i vật hàn Hình d ng c a bể hàn đ ợc đặc tr ng b i các đ i l ợng:

b- chiều rộng bể hàn h- Chiều sâu nóng ch y l- Chiều dài bể hàn

Tỷ s giữa chiều rộng và chiều dài bể hàn gọi là hệ s hình d ng c a bể hàn:

 = b/ l

Hệ s hình d ng c a bể hàn có nh h ng lớn đến quá trình kết tinh, do đó

nh h ng đến chất l ợng m i hàn Nếu b/l lớn (bể hàn rộng) thì điều kiện kết tinh t t, sau khi kết tinh nhận đ ợc m i hàn có chất l ợng cao Ng ợc lai, nếu b/L nh thì sau khi kết tinh có thể gây ra n t trục m i hàn

Hình 2.3 Hình dạng và kích thước của bể hàn

2.1.1.3 S d ch chuyển của kim lo i lỏng từ đi n c c vƠo bể hƠn

Sự dịch chuyển c a kim lo i l ng từ điện cực và bể hàn không những nh

h ng đến sự t o thành m i hàn, mà còn nh h ng đến thành phần và chất

l ợng m i hàn

Khi hàn h quang tay, dù hàn bằng ph ơng pháp nào và hàn bất kỳ vị trí nào thì kim lo i l ng cũng đều chuyển dịch từ que hàn vào bể hàn d ới d ng những giọt kim lo i có kích th ớc khác nhau Sự chuyển dịch c a kim lo i l ng

từ que hàn vào bể hàn là do các yếu t sau:

+ Trọng lực c a giọt kim lo i l ng

Những giọt kim lo i đ ợc hình thành mặt đầu que hàn, d ới tác dụng

c a trọng lực sẽ dịch chuyển từ trên xu ng d ới theo ph ơng thẳng đ ng vào bể hàn

Lực trọng tr ng chỉ có tác dụng làm chuyển dịch các giọt kim lo i l ng vào bể hàn khi vị trí sấp, còn khi hàn ngửa yếu t này hoàn toàn không thuận lợi

+ Lực từ tr ng

Dòng điện khi đi qua điện cực sẽ sinh ra một từ tr ng Lực c a từ

tr ng này ép lên que hàn làm cho ranh giới giữa phần rắn và phần l ng

c a que hàn bị thắt l i

Hình 2.4 Tác dụng của lực từ trường ép lên đầu mút điện cực

Do bị thắt l i nên diện tích tiết diện ngang t i chỗ đó gi m, làm mật độ và

c ng độ c a lực từ tr ng m nh lên Mặt khác, t i chỗ thắt do có điện

tr cao nên nhiệt sinh ra lớn, làm kim lo i nhanh chóng đ t đến tr ng thái sôi và t o ra áp lực lớn đẩy các giọt kim lo i l ng vào bể hàn

Lực từ tr ng có kh năng làm chuyển dịch các giọt kim lo i l ng từ đầu que hàn vào bể hàn mọi vị trí

+ Áp lực khí

Khi hàn, kim lo i l ng đầu que hàn bị quá nhiệt m nh và sinh ra khí nhiệt độ cao, thể tích c a khí tăng và t o ra áp lực lớn đ để đẩy các giọt kim lo i

2.1.2 Cấu trúc của kim lo i mối hƠn

Sau khi hàn, kim lo i l ng trong bể hàn kết tinh để t o thành m i hàn Vùng kim lo i xung quanh m i hàn do bị nh h ng c a nhiệt nên có sự thay đ i về t

ch c và tính chất Vùng đó gọi là vùng nh h ng nhiệt

Nghiên c u t ch c m i hàn c a thép cácbon thấp thấy chúng có các phần riêng với t ch c khác nhau

2.1.2.1 Vùng mối hƠn

Trong vùng m i hàn kim lo i nóng ch y hoàn toàn, khi kết tinh có t ch c

t ơng tự nh t ch c th i đúc Thành phần và t ch c kim lo i m i hàn khác với kim lo i cơ b n và kim lo i điện cực

Hình 2.5 Tổ chức kim loại của mối hàn

+ Vùng ngoài cùng

vùng này do t n nhiệt nhanh nên kim lo i l ng trong vũng hàn kết tinh với t c độ nguội lớn Do vậy, sau kết tinh nhận đ ợc t ch c kim lo i với những h t tinh thể nh mịn

+ Vùng trung gian

Kim lo i l ng vùng trung gian không thể kết tinh với t c độ nguội lớn

nh vùng ngoài cùng Các tinh thể kết tinh theo ph ơng t n nhiệt nh ng

có chiều ng ợc l i Do t c độ nguội t ơng đ i chậm nên sau khi kết tinh nhận đ ợc các h t tinh thể dài có trục vuông góc với mặt t n nhiệt

+ Vùng trung tâm

Kim lo i l ng vùng trung tâm kết tinh với t c độ nguội chậm và trong vùng này kim lo i l ng có nhiệt độ hầu nh gi ng nhau, do vậy chúng kết tinh gần nh đ ng th i và h ớng t a nhiệt theo các ph ơng đều nh nhau Sau khi kết tinh nhận đ ợc các t ch c kim lo i g m cac h t đều trục Trong vùng trung tâm có thể có các t p chất phi kim lo i – xỉ Tùy thuộc vào t c độ nguội mà trong t ch c c a kim lo i m i hàn có thể

có hoặc không có vùng trung gian hoặc vùng trung tâm

Nếu t c độ nguội lớn thì các tinh thể h t dài có thể phát triển sâu vào trung tâm bể hàn, khi đó kim lo i m i hàn chỉ có 2 vùng: vùng ngoài cùng với các h t nh mịn và vùng trung gian với các h t tinh thể dài Nếu t c độ nguội rất chậm thì vùng tinh thể h t dài (vùng trung gian) có thể không có

2.2.1.2 Vùng nh h ng nhi t vƠ các y u tố nh h ng đ n kích th c của

 Thành phần và chiều dày c a kim lo i vật hàn T ch c kim lo i c a

 Vùng th ng hóa

Vùng kim lo i cơ b n bị nung nóng đến nhiệt độ kho ng (900 ÷ 1100)0C nhiệt độ này kim lo i có t ch c hoàn toàn là autennit, sau khi nguội nhận đ ợc t ch c P + F h t nh có cơ tính cao Chiều rộng c a vùng

th ng hóa kho ng 0,25 mm

 Vùng kết tinh l i không hoàn toàn

Vùng kim lo i bị nung nóng đến nhiệt độ kho ng (727 ÷ 900)0C Trong kho ng nhiệt độ này t ch c c a kim lo i là autennit + ferit Sau

khi nguội nhận đ ợc t ch c peclit và ferit h t lớn T ch c này có cơ tính t ơng đ i thấp Chiều rộng c a vùng kết tinh l i kho ng (0,1 ÷ 5)

d ng dẻo thì không x y ra quá trình này Kim lo i vùng kết tinh l i có

độ c ng thấp, độ dẻo cao Chiều rộng c a vùng kết tinh l i kho ng (0,1 ÷ 5) mm

 Vùng giòn xanh

Vùng kim lo i bị nung nóng đến nhiệt độ (200 ÷ 400)0C trong vùng này kim lo i không thay đ i về t ch c, nh ng do nh h ng c a nhiệt nên

t n t i ng suất d

+ Các yếu t nh h ng đến kích th ớc c a khu vực nh h ng nhiệt

Kích th ớc c a khu vực nh h ng nhiệt đ ợc xác định trên

đ ng cong thay đ i t ch c c a cùng nh h ng nhiệt

Khu vực nh h ng nhiệt có nh h ng rất lớn đến cơ tính và chất l ợng

c a m i hàn

Khu vực nh h ng nhiệt càng nh thì nội ng suất sinh ra khi hàn lớn và

dễ có kh năng phát sinh vết n t Khu vực nh h ng nhiệt càng lớn thì

Bảng2.1 Sự phụ thuộc của kích thước các vùng và chiều dài khu vực ảnh

hưởng nhiệt vào các phương pháp hàn khác nhau

Ph ơng pháp hàn

Kích th ớc trung bình c a các vùng Chiều dài

c a khu vực

nh h ng nhiệt (mm)

Quá nhiệt Th ng

hóa

Kết tinh l i không hoàn toàn

 Hàn với c ng độ dòng điện hàn lớn hoặc hàn với ngọn lửa công suất lớn thì kích th ớc c a khu vực nh h ng nhiệt lớn

 T c độ hàn lớn thì kích th ớc c a khu vực nh h ng nhiệt nh

Tiết kiệm kim lo i: Với cùng lo i kết cấu kim lo i, nếu so sánh với các ph ơng pháp ghép n i khác, hàn tiết kiệm 10 ÷ 20% kh i l ợng kim lo i

Có thể hàn các kim lo i khác nhau để tiết kiệm kim lo i quí hoặc t o các kết cấu đặc biệt

M i hàn có độ bền cao và b o đ m độ kín khít Thông th ng m i hàn kim

lo i đ ợc hợp kim hóa t t hơn kim lo i vật hàn

Hàn có năng suất cao, vì có thể gi m đ ợc s l ợng nguyên công, gi m

c ng độ lao động, ngoài ra công nghệ hàn còn dễ tự động hóa, cơ khí hóa

Tuy nhiên hàn còn có nh ợc điểm Do ngu n nhiệt nung nóng cục bộ, dễ t o

ng suất d lớn T ch c kim lo i vùng gần m i hàn bị thay đ i theo chiều

h ớng xấu đi làm gi m kh năng chịu t i trọng động c a m i hàn; mặt khác cũng

dễ gây biến d ng các kết cấu hàn Trong m i hàn cũng dễ bị khuyết tật rỗ khí,

1 Hàn laser 2 Hà n hồ quang plasma

3 Hàn chùm tia điện tử 4.Hàn hồ quang điện

13 Hàn trong môi trường khí argon 14 Hàn trong môi trường khí hêli

15 Hàn trong môi trường khí nitơ 16 Hàn trong môi trường khí CO2

21 Hàn ma sát 22 Hàn khuếch tán trong chân không

29 Hàn điểm bằng tụ

Trong ngành công nghiệp đóng tàu chỉ sử dụng ph ơng pháp hàn nóng ch y

Đ i với ph ơng pháp hàn nóng ch y yêu cầu ngu n nhiệt có công suất đ lớn (ngọn lửa oxy – axetylen, h quang điện, ngọn lửa plasma, …) đ m b o nung

nóng cục bộ phần kim lo i mép hàn c a vật liệu cơ b n và que hàn (vật kiệu hàn) tới nhiệt độ ch y

Khi hàn nóng ch y, các khí xung quanh ngu n nhiệt có nh h ng rất lớn đến quá trình luyện kim và hình thành m i hàn Do đó để điều chỉnh quá trình hàn theo chiều h ớng t t thì ph i dùng các biện pháp công nghệ nhất định: dùng thu c b o vệ, khí b o vệ, hàn trong chân không,…

Trong nhóm hàn này, ta th ng gặp các ph ơng pháp hàn khí, hàn h quang tay, hàn tự động và bán tự động d ới lớp thu c, hàn h quang trong môi tr ng khí b o vệ, hàn điện xỉ, hàn plasma,…

2.2 T ng quan v ph ng pháp hƠn trong môi tr ng khí b o v

Hàn h quang điện cực nóng ch y trong khí b o vệ (GMAW: Gas Metal Arc Welding) là một ph ơng pháp sử dụng h quang t o ra giữa điện cực kim lo i điền đầy đ ợc cấp liên tục vào vũng hàn Ph ơng pháp này đ ợc sử dụng với sự b o vệ

c a khí đ ợc cấp b i một ngu n bền ngoài và không có áp lực

Khái niệm cơ b n về hàn h quang trong khí b o vệ đư đ ợc giới thiệu từ năm 1920, nh ng đến tận năm 1948 nó mới đ ợc sử dụng rỗng rưi trên thị tr ng Đầu tiên, ng i ta xem nó là một ph ơng pháp hàn với c ng độ dòng điện cao, sử dụng điện cực làm kim lo i trần với đ ng kính điện cực nh và khí trơ là khí b o

vệ ng dụng ban đầu c a ph ơng pháp là để hàn nhôm Chính vì vậy, thuật ngữ MIG ( Metal Inert Gas) hay hàn với điện cực kim lo i trần có khí trơ b o vệ đư đ ợc

sử dụng và vẫn là sự ám chỉ ph biến về ph ơng pháp hàn này Sự phát triển tuần tự điện một chiều m ch đập, ng dụng đ ợc hàn một kho ng rộng hơn các vật liệu và

sử dụng các lo i khí có ho t tính cao (đặt biệt là CO2) tiếng Anh gọi là ph ơng pháp hàn MAG (Metal Active Gas) và hỗn hợp khí làm môi tr ng b o vệ Sự phát triển sau này đư dẫn đến sự chấp nhận chính th c về thuật ngữ GMAW do sử dụng khí trơ và khí ho t tính để b o vệ m i hàn

Một biến thể c a ph ơng pháp hàn h quang điện cực nóng ch y trong khí

b o vệ là sử dụng một điện cực hình ng có lõi ch a đầy bột kim lo i để t o nên

những thành phần cơ b n c a kim lo i m i hàn (điện cực kim lo i lõi thu c) Những điện cực nh thế khi sử dụng bắt buộc ph i có khí b o vệ kim lo i vũng hàn nóng

ch y kh i tác động c a không khí

Những điện cực có lõi bột kim lo i này đ ợc hiệp hội hàn Hoa Kì coi là một nhánh c a GMAW Các hiệp hội hàn các n ớc khác có thể xếp điện cực này vào nhóm điện cực có lõi thu c

Ph ơng pháp hàn h quang điện cực nóng ch y trong khí b o vệ có thể vận hành theo kiểu bán tự động hoặc tự động Tất c các kim lo i quan trọng trong

th ơng m i nh là thép cácbon, thép hợp kim thấp độ bền cao, thép không rỉ, nhôm,

đ ng, titan và các hợp kim c a niken có thể hàn mọi t thế bằng ph ơng pháp này, chỉ cần lựa chọn đ ợc khí b o vệ, điện cực và các thông s hàn thích hợp

2.2.1 Ph m vi ứng d ng vƠ u điểm

Ph ơng pháp hàn h quang điện cực nóng ch y trong môi tr ng khí b o vệ

đ ợc sử dụng rỗng rưi ngày nay chính là dựa trên những u điểm c a nó Những u điểm quan trọng nhất nh sau:

- Đây là một ph ơng pháp hàn với điện cực nóng ch y, mà có thể sử dụng để hàn kim lo i và hợp kim

- Ph ơng pháp GMAW khắc phục đ ợc h n chế về chiều dài điện cực có giới h n trong ph ơng pháp hàn h quang bằng que hàn có thu c bọc

- Ph ơng pháp này có thể thực hiện các công việc hàn tất c các t thế, một đặc điểm ph ơng pháp hàn h quang ngầm d ới lớp thu c không có đ ợc

- T c độ điền đầy là cao hơn so với ph ơng pháp hàn h quang với que hàn

có thu c bọc vì điện cực đ ợc cấp liên tục và t c độ điền đầy m i hàn cao hơn

- Vì dây hàn đ ợc cấp liên tục, có thể thực hiện đ ợc các m i hàn dài mà không ph i dừng r i gây l i h quang

- Khi sự chuyển kim lo i d ng bụi đ ợc sử dụng, có thể t o nên những m i hàn có t c độ thâm nhập sâu hơn so với hàn bằng hàn h quang với que hàn có

thu c bọc Điều đó cho phép thực hiện những m i hàn góc với kích cỡ nh hơn mà vẫn đ m b o độ bền t ơng đ ơng

- Công tác làm s ch sau khi hàn là ít nhất do không có xỉ nhiều

Những u điển c a ph ơng pháp hàn này đặc biệt phù hợp với s n xuất lớn

và các ng dụng hàn tự động u điểm này bộc lỗ rõ nét hơn khi sử dụng rô b t hàn, một lĩnh vực mà ph ơng pháp hàn h quang trong khí b o vệ chiếm u thế

2.2 2 Nh ng h n ch của ph ng pháp

Cũng nh bất kì những ph ơng pháp hàn nào khác, có những h n chế nhất định giới h n ph m vi ng dụng c a ph ơng pháp hàn h quang điện cực nóng ch y trong khí b o vệ Những h n chế này nh sau:

- Thiết bị hàn ph c t p hơn, đắt tiền hơn và kém cơ động hơn so với ph ơng pháp hàn h quang que hàn có thu c bọc

- Ph ơng pháp hàn h quang trong khí b o vệ khó sử dụng những vị trí khó tiếp cận do súng hàn lớn hơn so với kìm hàn khi sử dụng ph ơng pháp hàn h quang que hàn có thu c bọc, và súng hàn cần ph i b trí liên kết trong kho ng cách

từ 3/3 đến 3/4 inch, để đ m b o rằng kim lo i m i hàn b o vệ một cách thích hợp

- H quang hàn cần ph i đ ợc b o vệ ch ng l i tác dụng c a không khí làm phân tán khí b o vệ Điều này làm h n chế sử dụng ph ơng pháp này ngoài tr i, trừ khi vùng khí b o vệ ph i đ ợc đặt xung quanh vùng hàn hoặc đ ợc che chắn cẩn thận

- M c độ b c x nhiệt và c ng độ dòng điện cao có thể làm cho ng i thợ vận hành khó chịu hơn với ph ơng pháp hàn khác

2.3 Công ngh hƠn h quang trong môi tr ng khí b o v

2.3.1 Cá c nguyên lý v n hƠnh

Ph ơng pháp hàn h quang điện cực nóng ch y trong khí b o vệ là quá trình hàn có sự cấp dây tự động là điện cực nóng ch y với vận t c không đ i (Ve =Const) vào bể hàn

+ Theo ph ơng pháp cơ khí hóa quá trình hàn g m: Bán tự động; tự động và robot hàn

+ Theo ph ơng th c dòng khí b o vệ g m: MIG & MAG

Quá trình liên kết m i hàn đ ợc b o vệ bằng một dòng khí cấp ngoài Sau khi ng i thợ vận hành đặt những thông s ban đầu, thiết bị sẽ tự động điều chỉnh t c độ c a

h quang điện Do đó, những điều khiển bằng tay c a ng i thợ vận hành trong quá trình hàn bán tự động chỉ là t c độ di chuyển, h ớng di chuyển và vị trí c a súng hàn Trong điều kiện đư đặt đúng những tham s ban đầu, chiều dài c a h quang và

c ng độ dòng điện (t c độ cấp dây) sẽ đ ợc duy trì một cách tự động

Súng hàn dẫn h ớng cho điện cực nóng ch y, dẫn dòng điện và khí b o vệ tới vật hàn, do đó cung cấp năng l ợng để t o nên và duy trì cho h quang cháy, và làm nóng ch y điện cực cũng nh là đáp ng sự b o vệ cần thiết ch ng l i môi

tr ng không khí xung quanh Có hai cách kết hợp c a bộ phận cấp dây và ngu n điện hàn đ ợc sử dụng để đ t đ ợc sự điều chỉnh chiều dài h quang Thông th ng nhất, sự điều chỉnh này bao g m một ngu n điện có điện thế (điện áp) không đ i (có đặc điểm là cung cấp một đ ng đặc tính Volt – Ampe d c) và bộ phận cấp điện cực sẽ đ ợc điều chỉnh theo điện áp h quang

Với sự kết hợp điện áp không đ i t c độ cấp dây không đ i, những thay đ i

về vị trí súng hàn sẽ gây nên những thay đ i về c ng độ dòng điện đáp ng chính xác sự thay đ i về chiều dài thò ra c a điện cực (phần điện cực dài ra kh i miệng súng) Do đó, chiều dài c a h quang đ ợc giữ không đ i Thí dụ, khi phần điện cực

thò ra tăng lên do m hàn đ ợc nung lên sẽ làm gi m c ng độ dòng điện ngu n điện hàn, bằng cách nhiệt l ợng t a ra điện cực sẽ gi m và t c độ nóng ch y

gi m, chiều dài c a h quang sẽ ngắn l i

5 Cơ cấu đẩy dây hàn

6 Dây công tắc điều khiển

Trong một hệ th ng, sự tự điều chỉnh t o nên khi điện áp h quang dao động

sẽ tái điều chỉnh m ch điều khiển bộ phận cấp dây, điều này sẽ t o nên sự thay đ i

về t c độ cấp dây Trong một s tr ng hợp (chẳng h n nh hàn nhôm) có thể chệch kh i sự kết hợp những tiêu chuẩn này và một vài ngu n điện có dòng điện không đ i với bộ phận cấp dây có t c độ cấp dây không đ i Sự kết hợp này đem l i chỉ một m c độ tự điều chỉnh nh và do đó yêu cầu nhiều kĩ năng c a ng i thợ vận hành quá trình hàn bán tự động Tuy nhiên, một s ng i sử dụng nghĩ rằng, sự

kết hợp này đ cung cấp sự điều khiển trong một kho ng điều khiển đ i với năng

l ợng (dòng điện) h quang mà có thể quan trọng với những kim lo i có tính dẫn nhiệt cao nh kim lo i, cơ b n là nhôm

- Ba bộ phận kiểm soát quá trình hàn:

tự động Bộ phận cấp dây cùng với bộ ngu n sẽ ph i hợp các đặc tính với nhau để hiệu chỉnh tự động chiều dài h quang và dòng điện hàn Sự hiệu chỉnh này thực hiện đ ợc là nh sử dụng bộ ngu n áp không đ i ph i hợp với bộ cấp dây t c độ không đ i GMAW có thể đ ợc thực hiện tự động hoặc bán tự động Ngày nay chúng đ ợc sử dụng rộng rưi cho các công việc hàn nh vào u điểm:

-Năng suất cao

- Giá thành thấp

-Năng l ợng hàn thấp, ít biến d ng nhiệt

- Hàn đ ợc hầu hết các kim lo i

- Dễ tự động hóa

Hình 2.8 Thiết bị hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong khí bảo vệ

2.3.2 Các thông số công ngh hƠn

Một s yếu t có nh h ớng đến độ ngấu c a m i hàn, đặc điểm hình học và chất l ợng chung c a m i hàn nh sau:

Hình 2.9 Chiều dài điện cực phía ngoài mỏ hàn

Kiến th c và sự kiểm soát biến s này là thiết yếu để t o ra những m i hàn

có chất l ợng th a đáng Những biến s này không độc lập hoàn toàn với nhau, và việc thay đ i một biến s th ng yêu cầu ph i thay đ i một hoặc nhiều biến s khác

để t o ra kết qu mong mu n Những kĩ năng và kinh nghiệm là cần thiết để lựa chọn bộ thông s t i u cho từng công việc cụ thể Các giá trị t i u bị nh h ớng

b i: Kiểu kim lo i cơ b n; thành phần hóa học c a điện cực; t thế hàn; và các yêu cầu về chất l ợng Chính vì vậy, không có một bộ thông s duy nhất có thể t o nên kết qu t i u cho mọi tr ng hợp

2.3.3 Dòng đi n hƠn

Dòng điện hàn đ ợc phụ thuộc vào đ ng kính điện cực, d ng truyền c a kim lo i

l ng và chiều dày c a chi tiết hàn Khi dòng điện thấp không đ m b o độ ngấu,

gi m độ bền c a m i hàn, khi dòng điện quá cao sẽ làm bắn tóe rỗ khí, m i hàn không đ ng đều

2.3.4 Đi n áp h quang

Đây là thông s rất quan trọng nó quyết định d ng truyền kim lo i l ng Điện áp h quang phụ thuộc vào chiều dày kim lo i nền, kiểu lien kết, vị trí hàn Để có giá trị điện áp hợp lý có thể ph i hàn thử hoặc tra b ng sau đó tăng ho c gi m chgo phù hợp

2.3.5 Tốc độ di chuyển

T c độ di chuyển là t c độ tuyến tính mà h quang đ ợc di chuyển dọc theo liên kết hàn Trong điều kiện tất c các yếu t khác giữ nguyên không đ i, chiều sâu

c a m i hàn là lớn nhất với t c độ di chuyển trung bình

Khi t c độ di chuyển gi m đi, sự điền đầy c a kim lo i một điện cực trên một đơn vị chiều dài sẽ tăng lên Với những t c độ di chuyển rất chậm, h quang hàn tác động m nh lên vũng hàn nóng ch y hơn là lên kim lo i cơ b n, do đó làm gi m hiệu

ng thâm nhập sâu vào kim lo i cơ b n khi đó m i hàn sẽ rộng hơn

Khi t c độ di chuyển tăng lên, nhiệt l ợng cấp trên một đơn vị m i hàn truyền vào kim lo i cơ b n từ h quang đầu tiên tăng lên, do h quang tác dụng trực tiếp hơn vào kim lo i cơ b n Do đó, sự nóng ch y c a kim lo i cơ b n tr ớc tiên tăng lên r i gi m đi với t c độ di chuyển tăng lên Khi t c độ di chuyển tăng thêm nữa, sẽ có xu h ớng t o nên sự khoét ngách dọc theo vách c a m i hàn và kim lo i điền đầy không đ để điền vào tuyến đ ng kim lo i bị nóng ch y do h quang gây nên

2.3.6. Chi u dƠi nhô ra của đi n c c

Chiều dài nhô ra c a điện cực là kho ng cách giữa đầu c a ng tiếp điện và đầu c a điện cực nh thể hiện trên hình 2.10 Khi chiều dài nhô ra tăng lên, điện tr

c a nó sẽ tăng lên Nhiệt t a ra trên phần điện cực đó sẽ tăng lên, làm tăng nhiệt độ

c a điện cực và làm tăng t c độ nóng ch y c a điện cực Nói chung, điện tr tăng sẽ

t o ra điện áp lớn hơn từ ng tiếp điện tới vật hàn Điện áp rơi này sẽ đ ợc c m nhận b i ngu n điện, mà sẽ t o ra bù trừ b i sự gi m c ng độ dòng điện Điều đó

sẽ làm gi m ngay lập t c t c độ nóng cháy c a điện cực, dẫn đến chiều dài h quang sẽ ngắn l i Vì vậy, trừ khi có sự tăng điện áp trong máy hàn, kim lo i điền đầy sẽ đ ợc đ a vào m i hàn nh là một m i hàn hẹp có phần trên l i cao

Chiều dài nhô ra c a điện cực th ng từ ¼ đến ½ inch (6 đến 13 mm) đ i với

sự chuyển kim lo i d ng đo n m ch và ½ đến 1 inch (13mm đến 25mm) đ i với những kiểu chuyển kim lo i vào m i hàn khác

2.4 Khí b o v

2.4.1 T ng quan

Ch c năng hàng đầu c a khí b o vệ là lo i trừ không khí không cho nó tiếp xúc với kim lo i m i hàn nóng ch y Điền đầy là cần thiết vì đa s kim lo i khi bị nung nóng tới điểm nóng ch y trong không khí th ng có xu h ớng t o ra ôxít và đôi khi c nitrit

Ôxy cũng ph n ng với cacbon trong khí nóng ch y để t o thành mônôôxit cacbon và điôxit cacbon Các s n phẩm này có thể gây nên những khuyết tật cho

m i hàn nh bẫy xỉ, rỗ khí, và các vết n t Các s n phẩm c a ph n ng th ng dễ

đ ợc t o nên trong không khí trừ khi có sự b o vệ cẩn thận để lo i trừ tác động c a ôxy và nitơ

Cùng với việc cung cấp một môi tr ng b o vệ, khí b o vệ và t c độ l u

l ợng cũng có những hiệu ng n i bật sau đây:

- Các đặc tính h quang

- Ph ơng th c chuyển kim lo i vào m i hàn

Bảng 2.2 Các khí bảo vệ trong phương thức chuyển kim loại dạng bụi

Nhôm

100%

agôn

0 -1 inch

Ph ơng th c chuyển kim lo i t t nhất, h quang

n định nhất và ít bắn tóe nhất 35%

agôn +

65% hêli

1 - 3 inch

Nhiệt l ợng đầu vào cao hơn so với khí b o vệ agôn thuần túy, đặc tính ch y loưng đ ợc c i thiện với hợp kim Al-Mg series 5XXX 25%

Cung cấp đặc tính h quang n định, sự liên kết

t t và t c độ hàn cao hơn là hỗn hợp 90% agôn + 1% ôxy, đ i với vật liệu thép không gỉ với chiều dày nh

hoặc bằng 1/8 inch

Titan 100%

n định h quang t t, gi m thiểu t p chất tác động vào m i hàn, bắt buộc ph i có sự hỗ trợ

c a khí trơ để ngăn c n không khí nhiễm vào phía sau c a vùng hàn

Bảng 2.3 Các khí bảo vệ trong phương thức chuyển kim loại dạng đoản mạch

Kim lo i Khí b o v chi u dƠy u điểm

T c độ hàn cao, gi m thiểu sự biến d ng và bắn tóe

75% agôn + 25%

CO2

Lớn hơn 1/8 inch

Gi m thiểu sự bắn tóe, bề mặt

m i hàn s ch, kiểm soát vũng hàn t t t thế hàn đ ng và hàn trần

Agôn với 5-10%

Chiều sâu m i hàn lớn, t c độ hàn cao hơn

Thép

không gỉ

90% hêli + 7,5%agôn+2,5%CO2 -

Không gây hiệu ng tới tính chịu an mòn, vùng nh h ng nhiệt nh , m i hàn không bị khoét ngách, biến d ng là nh nhất

Thép hợp

kim thấp

60-70%hêli + 35% agôn + 4,5%CO2

25

Ho t tính hóa học nh nhất, m i hàn rất dẻo dai, h quang rất n định, đặc tính b o vệ t t, hình

Lớn hơn 1/8 inch

Khí agôn là thích hợp với kim

lo i d ng tấm, hỗn hợp Ar-He hay đ ợc dùng hơn với vật liệu

cơ b n